提出用CFRP为材料并通过有限元分析设计一种能更好地保护行人的引擎罩
Azzam Ahmed,Li Wei
摘要：由于城市人口和私家车数量的上升，马路上的行人受伤和死亡数都不断增加。为了解决这个问题以及其他安全问题，汽车引擎盖的设计和材料已经成为汽车工业的关键问题。在过去，汽车引擎盖的最常见的材料是钢、铝，近来复合材料因其对行人有更好的保护性也被运用于引擎盖的生产了。这本研究中，成人的头部模型、复合物的层压板和复合材料夹层板都用有限元软件ABAQUS/EXPLICIT做出模型进行行人头部和汽车引擎罩作用的仿真。仿真结果通过了Euro-NCAP行人头部与发动机罩冲击测试的验证。 结果表明，复合材料层合板，夹层复合板和发动机罩的有限元建模能够有效地进行预测模型的行人头部损伤和变形模式。 该方法可以作为车辆、行人安全评估和相关开发的适用工具。
关键词：CFRP；行人头部冲击；HIC；复合材料引擎罩；成人头部模型；FEM
1. 绪论
造成行人致命伤的主要来源是行人的头部和汽车引擎盖的碰撞。EEVC的WG10和WG17推荐对汽车使用特定撞击的组件测试程序来模拟行人保护验证测试。欧洲规定了一系列的标准来减少当车速达到40Km/h时对行人撞击的伤害。然而，受伤的机理是很复杂的。头部损伤标准（HIC）指出由撞击引起的头部受伤可能性的度量，其由儿童和成人的头部作为受击对象来模拟评估的。HIC包含了头部加速度和加速持续时间的影响。汽车车身的材料选择受到不同因素的影响，比如：价格、重量和结构性能。过去最常见的大规模实验的引擎罩材料是钢铁和铝。近些年来，复合材料被认为可用来代替钢铁和铝来生产汽车构件，并且同时满足重量轻和在撞击时能有效吸收能量的性能。文献中证明了夹层式引擎罩结构适于在碰撞中吸收行人头部的能量。DIAdem已被用于计算行人头部撞击汽车发动机罩的HIC值，各种时间与加速度（g）曲线用于解释碰撞行为。
有一个关于头部撞击泡沫夹层复合材料引擎罩的研究，其结果显示，使用泡沫夹层复合材料可以减少行人头部损伤值。Masoumi 等人.建立了一种新的有限元分析方法来模拟头部分别撞击钢铁、铝和复合材料引擎盖是的现象。所得的HIC数值显示，在撞击引擎罩的同一个位置时，撞击在复合材料上所得损伤值远比其他两项小。夹层式引擎罩设计有更强大的吸能性能，复合预想。分析显示，分布在引擎罩上主要区域的12中，大约一半的撞击点满足HIC值，小于800，其余的HIC值在800到1000之间[10]。Teng 等人.曾经用三种夹层式引擎罩结构来减少行人的头部损伤。结果显示，使用铝增强的聚碳酸酯材料的引擎罩结构可以提供足够的吸能性能来减少行人受到的撞击伤害。Shinda 等人曾用碳纤维复合物代替钢铁来设计汽车引擎罩，并发现了它的独特优势。复合材料如碳纤维复合增强材料（CFRP）在汽车部件应用上有很大潜力，可以减少大量质量的同时提供巨大的刚度和强度，在受到撞击时，相比金属材料也可以提供更好的安全性能。在汽车引擎盖的生产制造中若采用CFRP，则可直接减少行人在事故中受到的伤害。
本研究的目的就是本研究的目的是通过数值模拟优化和分析发动机罩层压复合材料和夹层结构。 用ABAQUS / Explicit建立发动机罩，成人头模，复合层压板和夹层板的有限元模型并研究作为发动机罩的材料时对行人在碰撞时的安全性。
2. 试验和材料
碳织物（200g/m2 T300 3 K 2*2斜纹）已用于制造层压复合材料和夹层结构。环氧树脂EPIKOTETM MGS RIMR135和固化剂RIMH135已经以质量100：30的比例调配使用。
ROHACELL71 RIST 被用于泡沫夹层复合物。泡沫夹心的材料性质如表1所示[11]。制造层压复合材料和夹层复合材料使用的是真空辅助树脂灌注工艺，在固化过程中，层压复合材料结构和夹层复合材料结构都要保持在恒定压力（0.1MPa）以及60°C下6个小时。没有泡沫的层压复合材料结构的纤维铺层角分别设置 [0/90, plusmn;45]2 和[[0/90, plusmn;45]2,0/90,[0/90]4]两种，有泡沫的夹层复合材料结构的纤维铺层角分别设置[0/90, plusmn;45,心层，0/90, plusmn;45]和[[0/90, plusmn;45]2,0/90,心层，[0/90]4]。最后复合层压板的总厚度是1-2.5mm，而夹层复合材料结构的厚度大约11-12.5mm。使用有限元模型分别根据ASTM 3039和ASTM D264进行拉伸与弯曲测试（静态条件下）得到他们的机械性能。
2.1头部损伤标准（HIC）
HIC标准是用来预测引擎罩和行人头部碰撞时的危害以及当碰撞发生时引擎罩的造型所带来的危害等级。HIC数值取决于引擎罩的造型、材料、碰撞类型和结构。HIC值是根据如下公式确定的（1）：
HIC=[]2.5(t1-t1) (1)
其中：a：合成加速度（g）。
t1,t2:两个瞬时（以秒为单位），分别是HIC达到最大值的初始和结束瞬间。
为了计算HIC的最大值，在t1-t2之间大于15ms的HIC值被忽略掉。
在本研究中，行人与汽车引擎罩碰撞的HIC值是使用DIAdem法计算出来的。
2.2. 成人头部模型
2.2.1. 尺寸
成人头部模型由铝制成，是均质球状结构，且球外覆盖一层14plusmn;0.5mm厚的人造皮肤模型的形状和尺寸如图1和表2所示。整个头部模型分为三部分，如图1所示，外部皮肤为V1，内部铝部分为V2，以及盖板V3。
如图1所示，定位加速度计的圆柱体直径为20mm，高度是24mm；在盖板上的圆柱直径为28mm，高10mm；外部人造皮肤的厚度为14mm；整个头模型半径为82.5mm，内部铝球的半径为68.5mm。
2.2.2. 质量
外部皮肤由密度为0.92g/cm3的聚乙烯（PE）制成。内部和盖板是由密度为2.7g/cm3的铝制成的。由已给出的几何参数可以算出各个部分的体积，见式（2）-（4）。
（2）
（3）
（4）
则成人头部模型的质量为上式与密度的积的和，因此
（5）
2.3有限元建模
通过ABAQUS/Explicit建立头部、复合物层压板、复合物夹层板和引擎罩的有限元模型。这些模型都被用于模拟行人头部撞击引擎罩中心区域的情况，并预测HIC值。
2.4成人头部撞击体的建模
根据欧洲NCAP法规的规定的几何规格建立成人头部有限元模型，这个模型和Ye et al建立的模型相同。模型内部以及盖板的材料都是刚度远大于聚乙烯皮肤的铝材。如图2所示，头部模型被设置为刚体。参考点包括两个方面。对于盖板，参考点设置在重心来测量成人头部模型的加速度变化。 模型撞击角度为65°，且根据欧洲NCAP法规以11.1m/s的速度撞击引擎罩。
铝制的内部部件和盖板通过C3D8R单元划分网格，这些元素都是由模态控制的8节点线性缩减积分产生的。聚乙烯皮肤和内部铝件是通过“系”单元约束连接在一起的。铝制盖板也是通过“系”单元和皮肤和内部部件约束在一起。
2.5. 复合材料板和成人头部模型
复合层压板由ABAQUS/Explicit创建，由如表3所示的两种类型的堆叠序列组成。使用S4R（四节点双弯曲薄壳或厚壳，缩减积分，模态控制，有限膜应变）型单元创建包含6400个单元的壳单元。由于CPU仿真响应时间限制，复合板的面积是400400mm2,对应乘用车引擎盖的1/2。倾斜角为8°，而本文中不考虑倾斜角对HIC值的影响。图3显示的是层合板和成人头部模型，撞击角为65°，该头部模型与用在汽车引擎罩模型上的头部模型相同。表4列出了该模型薄层的力学性能和初始损伤参数。
2.6. 复合夹层板和成人头部模型
皮肤在ABAQUS/Explicit中用S4R（四节点双弯曲薄或厚壳体，缩减积分，模态控制，有限膜应变）来建立壳单元进行模拟。上表面和下表面的单元数为5625个，上、下面的皮肤以“系”单元和泡沫层连接在一起，将表面之间的相互作用性质模拟为切向和普通模式。图4为夹层板和成人头部碰撞体，泡沫层在ABAQUS/Explicit中描述为固体形态，单元类型为C3D8R（8节点线性块，缩减积分，模态控制），泡沫层共16875个单元。由于这些元素的高宽比较差，需要合理精细的网格来确保收敛。
泡沫被设置为弹塑性材料，响应的弹性部分被定义为具有两个参数的弹性各向同性的选项：杨氏模量和泊松比，响应的塑性部分用ABAQUS/Explicit中的可破碎泡沫和可破碎泡沫硬化选项进行设置。其中硬化被定义为单轴压缩屈服和压拉应力对。本文不考虑泡沫厚度对HIC值的影响。
2.7. 引擎罩建模
通过CATIA5R18建立引擎罩的模型，该模型包括外部结构和内部结构。包括它们的组合体都如图5所示。内部和外部结构均由S4R（四节点双弯曲薄或厚壳体，缩减积分，模态控制，有限膜应变）的壳单元进行仿真，内、外壳的单元数分别为2859和2735个。外壳和内壳通过“系”单元连接，两个表面的相互作用按相切和普通模式进行仿真。
引擎罩的边界条件建立在三个部分：罩盖的中线、头部模型的固定和罩盖内外结构之间的固定，如图6（a,b和c）。复合材料引擎罩的内外结构包含数个不同的铺层。表3所示为引擎罩模型的两种堆垛序列。根据哈希理论可以得到复合物损伤的初始条件，以此可以研究复合物的能量吸收性能。内壳的厚度为1mm和0.5mm，外壳的厚度为1.25mm和0.5mm。
3. 结果
3.1. 头部模型和符合层压板的撞击建模
本节进行了行人头部撞击两种不同堆垛序列的复合层压板的测试。在两种层压板的尺寸相同的情况下研究了复合板厚度对HIC值、板形变、撞击能量和吸收能量的影响。层压板的堆垛序列为[0/90, plusmn;45]2 和[[0/90, plusmn;45]2,0/90,[0/90]4]，厚度分别为1.04mm和2.34mm。图7和图8显示了从t=0.00到0.0142秒头部模型撞击产生的形变区的应力分布图。图7和图8分别是两种堆垛序列层压板的变形图。图9的（a）和（b)展示了达到保护行人安全的两种堆垛序列的HIC值，均小于1000。结构的厚度对HIC值的影响非常大，HIC的加速度曲线的峰值显示了撞击强度。如图10的（a）和（b）分别显示，头模型撞击两种不同堆垛序列时，HIC值分别为354和930，最大位移出现在撞击角度为65°时的Z轴方向，分别为219.3和150mm。产生的位移量随设计内容改变而不同，这也是复合板受冲击后产生变形的标志。图11的（a）和（b）记录了不同堆垛序列出现的变形模式，发现产生大的位移量的同时，HIC值较小。然而，由于引擎罩有更多需要改进的的地方，所以不建议设计为大位移量的结构。此外，较软的引擎罩结构有助于减少在碰撞中对头部的损伤。因此，建议使引擎罩内壳与其底下的刚体结构保持一定的距离，这样既可以保证引擎罩的造型，也可以控制其在碰撞时的变形。
3.2. 头部模型与复合夹层板碰撞测试建模
通过使用成人头部撞击体撞击复合层和泡沫，评估复合层的铺层对HIC的影响。中心层的泡沫厚度为常值，为10mm。图12和图13展示了当头部模型接触到夹层板时头部模型的应力分布图。头部模型撞击在夹层板表面的过程反映了复合夹层上表面板的强度。显然，由于图12中的复合板的面板叠层更少以及板刚度更小，在t=0.015时，图12中成人头模的形变远大于图13中的。
图14（a和b）中列出了计算所得堆垛序列为[0/90, plusmn;45,心层，0/90, plusmn;45]和[[0/90, plusmn;45]2,0/90,心层，[0/90]4]的复合夹层板的HIC值，分别为654和820，均可保证行人的安全。从图中的HIC曲线可见，两种堆垛序列对应的加速度随时间变化的趋势是相似的。图14（b）显示当结构的加速度峰值越高，HIC值也随之上升，反之亦然，见图14（a）。夹层结构的面板厚度对HIC值的影响非常大。图15（a和b）展示了在Z轴方向当成人头模以65°撞击时的加速度与位移量的关系。HIC分别为654和820，对应的Z轴最大位移量分别为12.17mm和84.7mm。
如图15所示，[0/90, plusmn;45,心层，0/90, plusmn;45
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